基于咪唑酮的偶氮染料；设计、合成、光谱表征、生物评估，以及结合计算机模拟（in silico）和体外实验（in vitro）分析来评估其抗癌潜力

《Bioorganic Chemistry》：Imidazolones-based azo dye; design, synthesis, spectral characterization, biological evaluations, and combined in silico and in vitro analyses to assess the anticancer potential

本研究成功合成了一系列新型偶氮-咪唑啉酮衍生物，通过FT-IR、UV-Vis、NMR等光谱分析及分子对接和细胞毒性实验，发现其具有显著抗菌活性（MIC值低）和抗癌潜力（针对MCF-7细胞），但抗氧化活性与理论预测存在差距。该化合物通过引入多氯取代基优化脂溶性（logP值符合静脉注射标准），为开发高效低毒抗癌药物提供新方向。

　　

Muzhda Anwer Tawfeeq | Mohammed Kareem Samad

伊拉克库尔德斯坦地区埃尔比勒萨拉赫丁大学教育学院化学系

摘要

合成了一系列基于偶氮-咪唑酮的偶氮染料，并使用不同的光谱技术对其进行了表征，包括FT-IR、UV-可见光、¹³C NMR、¹H NMR、DEPT-135、ESI-MS和荧光光谱等。生物学评估包括在标准培养基下测试抗菌性能，通过暴露于紫外线下进行智能抗菌筛选并确定最低抑菌浓度（MIC），使用孔扩散测定法测试抗真菌性能，以及与抗坏血酸比较抗氧化活性，还对针对细菌、真菌和癌细胞的分子对接进行了研究。还对合成化合物C3对MCF-7细胞的细胞毒性进行了MTT测定。通过比较标准细胞系（WI-38/HFF）来确定选择性指数（SI）。计算了合成化合物的疏水性P值，这些化合物表现出疏水性，具有通过膜的潜力，因此符合辉瑞的静脉注射标准。所有研究均按照适当的对照方法和批准的方案进行。

引言

在过去二十年里，杂环化合物由于其在药物化学中的优异药理性质而发挥了重要作用[1]。氧唑酮（也称为偶氮内酯或氧唑-5-(4H)-酮）是一类含有一个氮原子和两个氧原子的五元杂环[2]、[3]。偶氮氧唑酮作为杂化化合物，含有多种官能团，如羰基、NN、CN以及α、β-不饱和羰基系统[4]、[5]。合成5-(4H)-氧唑酮最常见的方法是著名的Erlenmeyer-Plochl反应，这是一种环境友好的过程，适用于教学实验室，涉及在乙酸酐和乙酸根离子作为催化剂的情况下，芳香醛与N-酰氨基酸的缩合[3]、[6]、[7]。氧唑酮衍生物是合成多种小分子的关键中间体，包括氨基醇、氨基酸、硫胺素、酰胺、肽和多功能化合物[2]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。氧唑酮的生物活性主要与C-2和C-4位置的修饰有关[2]。氧唑酮基团是多种生物活性天然化合物的核心结构[2]。咪唑酮环是生物活性天然化合物的基本组成部分，出现在多种天然产物中[13]、[14]、[15]。这些杂环化合物存在于从组氨酸到海洋生物碱（如Palau ‘amine）等重要生物分子中[8]，也是微生物/海洋生物中α, β-脱氢氨基酸的关键中间体[17]。咪唑酮仍然是天然生物系统中的重要组成部分[16]。咪唑酮环作为非天然环肽的组成部分，在肽模拟研究中作为酯异构体发挥作用。在肽模拟研究中，咪唑酮环作为酯异构体，是人工环肽的组成部分[8]。由于其卓越的药理多样性，氧唑酮和咪唑酮衍生物成为药物化学中备受关注的杂环化合物类别。这些骨架表现出多种生物活性，包括抗癌[6]、[12]、[18]、抗炎[19]、抗肿瘤[20]、降压[1]、[21]、抗菌[7]、抗氧化[2]和抗病毒[9]作用。它们的治疗潜力还包括抗惊厥[22]、抗真菌[16]、抗糖尿病[3]、[23]、抗HIV[8]、抗血管生成[24]、抗菌[13]和镇痛[25]作用，以及抗抑郁[26]、抗精神病[27]和中枢神经系统抑制[28]作用。咪唑酮化合物通过提供一系列药理优势，超越了传统药物，可作为抗菌、抗癌、抗糖尿病、抗氧化、抗HIV和抗增殖剂[6]、[15]、[27]、[29]、[30]。乳腺癌仍然是世界上最常见的癌症类型之一[11]、[31]、[32]，这意味着始终需要更有效且危害更小的新药物[33]、[34]。由于其多样的生物活性和结构优化潜力，咪唑酮衍生物成为有前景的分子骨架，显示出对MCF-7细胞的显著抗乳腺癌活性，并且体内毒性较低，这使它们成为开发更安全抗癌剂的宝贵先导化合物[32]、[35]。咪唑酮衍生物成为有前景的分子骨架，因为它们在生物体内可以发挥多种作用，并且其结构可以改进。最近的研究表明，在咪唑酮核心中引入疏水基团可以更有效地阻止乳腺癌细胞（MCF-7）的生长，这表明亲脂性对生物活性至关重要。许多综述文章讨论了不同的咪唑合成技术。其中一些技术需要改进，因为它们存在显著的缺陷，如反应时间较长和反应条件苛刻。它们在水中的溶解度低导致生物活性和生物利用度降低，这是另一个缺点[33]。本研究设计并合成了一种含有多个氯取代基的创新偶氮-咪唑酮衍生物，包括大量的光谱测试、分子对接测试以观察其结合情况，以及体外测试其对MCF-7和HFFF细胞系的毒性。本研究旨在通过阐明这种化学修饰衍生物的结构-功能关系，促进乳腺癌治疗新先导化合物的鉴定。功能取代的氧唑酮被认为是有效的药效团[4]。氧唑酮环中的外环双键形成了具有强吸收性和可调荧光的高度共轭系统，这使其在光化学和材料科学领域非常有用[7]、[11]。咪唑酮还在微制造中发挥作用，特别是在绿色荧光蛋白（GFP）的制备中[6]、[15]、[27]、[29]、[30]。鉴于报道此类化合物的研究数量有限，这些发现具有重要意义。

本研究的目的是合成含有偶氮染料结构单元的新型氧唑酮化合物，特别是将偶氮（–N=N–）引入氧唑酮的C4位置，从而在化学、药理和电子性质上得到增强：由于偶氮基的电子吸引性极化[4]、[20]、[36]、[37]，实现了2-5分钟内快速环开环（而传统氧唑酮需要数小时）。亲核攻击障碍降低（DFT证实）。合成产率优异（>90%）；原子经济性提高，副产物少[3]、[4]、[20]、[38]、[39]。毒性低；对HEK-293细胞的MTT测定显示细胞毒性低[20]、[40]、[41]。π共轭延长和光学应用增强，色团性质增强（吸收红移）[42]、[43]、[44]、[45]、[46]。在光学传感器、染料敏化太阳能电池和分子光开关中有应用[3]、[45]、[47]。电化学优势在于改善了有机电子器件（LEDs、空穴传输材料）的电荷转移[45]、[47]、[48]、[49]、[50]。logP值是n-Octantal/水分配系数的对数，是描述药物候选物亲脂性的关键参数。所呈现的数据是用ADMET lab 3.0（https://admetlab3.scbdd.com）计算的，这是一个广泛使用的模拟工具，用于预测药物候选物的吸收、分布、代谢、排泄和毒性。了解这些化合物的溶解度和亲脂性特性对于考虑其药物候选物的性质至关重要。低水溶性是药物开发失败的主要原因之一，因此在药物化学优化的初始阶段必须考虑这些参数。

部分摘录

化学

方案1中使用的所有化合物均为分析级，来自不同的商业来源（Scharlau、Fluka和Siga Aldrich），未经额外纯化即可使用。红外光谱使用IR affinity-1（Shimadzu）光谱仪和KBr颗粒记录。光谱和抗氧化数据记录使用Shimadzu UV 1800系列单光束UV/Viss canning光谱仪进行。¹HNMR和¹³CNMR光谱记录使用Bruker光谱仪进行

化学

本研究考察了在不同亲核试剂存在下偶氮-氧唑酮衍生物的稳定性和反应性关系，结果表明，由于大的芳香基团和较小的杂环之间的空间不平衡，偶氮-氧唑酮非常不稳定，容易通过胺反应快速转化为更稳定的偶氮-苯酰胺（5-10分钟）。对称的偶氮-苯酰胺非常稳定；需要长时间加热（>2小时）才能转化

结论

本研究成功合成了一系列新的偶氮-咪唑酮衍生物，并通过广泛的光谱分析进行了结构验证。为了克服溶解性问题，这些化合物在基于KBr的测定中表现出显著的抗菌活性，这一结果得到了表2中分子对接研究的强烈计算支持。尽管对接预测了其高的抗癌和抗氧化潜力，但测定结果仅显示了中等程度的活性

生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备这项工作时，作者分别使用了[QuillBot Premium和Turnitin]进行改写和抄袭检查。使用这些工具后，作者根据需要审查和编辑了内容，并对发表文章的内容负全责。

CRediT作者贡献声明

Muzhda Anwer Tawfeeq：撰写——原始草稿，项目管理，方法学，形式分析。Mohammed Kareem Samad：撰写——审阅与编辑，监督，项目管理。

资金来源

本工作得到了伊拉克库尔德斯坦地区埃尔比勒萨拉赫丁大学的支持（硕士项目编号：1217/1/1-15/10/2023）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢萨拉赫丁大学教育学院的化学系在化合物合成过程中提供的监督和支持。作者特别感谢Pshtiwan Gharib Ali博士在抗癌对接研究中的帮助，以及微生物学家Rebwar Muhammad Hamasalih博士在抗菌、抗真菌和抗氧化评估中的支持。作者还要感谢Morteza Mehrjoo